单片机在退火炉炉温模糊控制中的应用

1、单片机在退火炉炉温模糊控制中的应用 摘要：讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊炉温控制系统，并将其应用于退火炉炉温控制上。试验表明，这种控制系统比传统的PID调节控制系统精度高、速度快 关键词：模糊控制 单片机 退火炉 炉温 模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制技术。模糊控制方式是一种非线性控制方式，对无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得令人满意的控制效果。退火炉炉温控制是一种非线性的时变的复杂过程，炉温控制直接影响着工件的退火质量。本文讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊炉温控制系统，实验表明该系统比传的PID炉温控制系统精度高、速度快。 1 单片机模糊炉温控

2、制系统的工作原理 单片机模糊炉温控制系统的工作原理如图1所示。该系统的被控对象是退火炉，被控参数是炉内温度T，退火炉燃实为煤气，改变阀门的开度便可改变退火炉内燃烧的煤气流量，从而改变炉内温度。单片机模糊炉温控制器。控制器根据系统给定温度和炉内实际温度及炉内实际温度的变化率，利用模糊控制算法，求出控制系统的控制输出量k（数字量），经D/A变换器转变为控制模拟量以控制煤气阀门的开度，从而改变炉温。 2 模糊控制器的设计 考虑到退火炉炉温具有非线性、时变等特点，单片机模糊炉温控制器采用模糊控制理论，通过总结操作人员对过程的操作和控制的经验，用模糊条件语句构成控制规则，采用极大极小合成运算原理，从而得

3、到一个模糊炉温控制模型。模糊控制器的控制步骤大体分三步：精确量模糊化、模糊控制规则推理模糊、模糊判决。 2.1 确定模糊变量 模糊控制器采用目前广泛使用的二维模糊控制器。确定模糊变量为： A：u炉温温度偏差， B：u炉温温度偏差变化率， C：c煤气阀门开度。 2.2 精确量的模糊化取取炉温温度偏差u、炉温温度偏差变化率作为控制器的输入信息，二者皆可用模糊语言变量表示为负大（NL）、负中（NM）、负小（NS）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PL）。模糊化是对模糊控制器的输入变量求取相应语言值的隶属度。对于输入变量u，其隶属度以图2的图线表示；对于输入变量u，其隶属度以图3的图线表示。经过模糊

4、化后，可以得到u的隶属度为：NL（u）、NM（u）、PL（u）；u的隶属度为：NL（u）、NM（u）、PL（u）。 由上面的两个隶属函数图可知，对于个给定的u或u，至多有两个对应的模糊语言值为0。 2.3 模糊控制规则推理在单片机模糊炉温控制系统中，采用If Ai and Bi Then Ci为模糊控制规则。其中，Ai为误差模糊子集，Bi为误差变化模糊子集，Ci为输出量模糊子集。模糊关系采用模糊推理采用Ci=(AiBi)oR 利用式1、式2求出模糊控制规则，模糊规则揄按照模糊规则来完成，最后形成输出变量的隶属度。单片机炉温模糊控制规则如表1所示。 表1 模糊控制规则 2.4 模糊判决根据表1所

5、列的模糊控制规则，可以求出每一条规则的模糊关系Ri,进而求出每一条规则的模糊关系R。对于给定的A和B的值，通过合成推理规则可求出对应的输出量C，再经过模糊判决可得到实际执行量。为了充分利用模糊控制量向量所取得的信息，本控制器系统采用加权平均法将模糊控制向量转化为精确控制向量。 取Ki=(Ci)，则 3 模糊控制器在单片机上的实现 3.1 硬件组成如图1所示，模糊控制器的CPU采用AT89C51单片机，它是一种低功耗、高速的八位CMOS芯片，具有4KB可编程ROM，128字节的RAM，32条 I/O线，2个16位定时/计数器和5个中断源等资源。控制器可在单片机系统控制软件的支持睛，由键盘操作独立

6、工作，也可作为下位机方式工作。退火炉的温度选用镍铬镍铝热电偶采集，其输出信号为041.32mV。变送器选用电动单元组合仪表中的mV变送器，输出信号为010mA。然后再经过电流-电压变换电路变换为02V的电压信号，送到A/D转换器ICL7135进行A/D转换。由于ICL7135A/D转换器的分辨率为两万分之一，即控制器的分辨率为0.005，完成满足系统要求。 控制器的控制输出量k（数字量），经D/A转换器转换为模拟控制量，以控制煤气阀门的开度。模糊控制器采用DAC0832作为D/A转换器件，控制电路接成8位电压输出型DAC，从基础运放芯片A741的第6引脚输出单极性模拟电压。输出模拟控制电压为：

7、 VOUT=-DVREF/256 式中，D为单片机输出模糊控制数字量，VREF为基准电压。控制器的通信采用RS-232通信方式，通信接口由一片ICL232完成从TTL电平到RS- 232标准电平的转换，通过RS-232接口与上位微机通信；单片机控制电路中连接了一片串行E2PROM芯片24LC02，用来存储智能运算中必需的控制过程参数；键盘显示电路与单片机AT89C51的P0口和P2口连接，采用定时口断扫描方式工作，对8位数码管诸位扫描显示，键盘用组合功能键完成系统参数的设置与修改。 3.2 软件组成模糊控制器是在应用程序软件控制下完成对退火炉炉温控制的。系统控制软件主要包括：主程序、显示子程序

8、、A/D转换（数据采集）子程序、温度设定调节子程充、按键中断服务子程序、定时器中断服务子程序、打印子程序、数据采集误差修正子程序、模糊推理子程序、模糊决策子程序、函数子程序、模糊关系R表格处理子程序、D/A转换子程序等组成，其程序流程框图如图4所示。其它子程序由于篇幅所限，在此不再详细介绍。温度传感器在笔记本电脑的应用 由于计算机效能不断的推陈出新，愈来愈多的功能被整合到计算机中。因此，计算机的处理量与日俱增，这些资料包含多媒体数据及3D动画资料。为了满足大量的数据处理需求，愈来愈多的芯片组被放入主机中，同时，CPU及芯片组的工作频率也不断提高。更多的芯片组及更快的时钟频率意味着更多热量的产生

9、。 对于笔记本电脑，用户除了要求系统具有更好的效能外，在外观上，还要求轻、薄、小，这是设计人员所面临的另一挑战。在有限的空间内，如何耗散系统所产生的热量是一个棘手问题。如何兼顾系统效能、系统舒适度 (包括笔记本电脑外壳的温度、风扇旋转所产生的噪音)、及系统运行时间，是笔记本电脑设计的一个重要课题。 笔记本电脑中需要监测温度的组件 图1为笔记本电脑的典型系统框图，CPU为系统中最大的热源，目前笔记本电脑普遍使用的Intel Dothan处理器其瞬间最大功耗约为37W，AMD Athlon处理器其瞬间最大功耗约为35W至40W，Intel下一代Merom处理器的瞬间最大功耗将高达50W。CPU是计

10、算机中温度检测的重要目标。目前，无论是Intel或AMD的CPU，CPU内部都含有提供远程温度检测用的二极管，以提供温度传感器，直接检测CPU内部管芯的温度，并对其进行精确的温度控制。 p=30, 2, center点击看原图/p 图形处理芯片 (GPU) 是除了CPU之外，系统中的另一个重要的热源。由于液晶显示器分辨率的增高，图形处理芯片的数据处理量也大大增加，为了让图形处理芯片可靠工作，目前普遍使用的图形处理芯片，也和CPU一样，均内含提供远程温度检测的二极管，以便直接检测图形处理芯片内部管芯的温度，并对其进行温度控制。笔记本电脑中，其它可能需要进行温度检测及控制的组件还包括DDR内存、硬

11、盘和光驱。温度检测的目地是让笔记本电脑的嵌入式微控制器能对笔记本电脑作适当的电源管理及热管理。精确可靠的温度检测在笔记本电脑的应用上具有下列优点： 一. 精确的温度检测能让系统发挥最高的效能：当组件实际温度并未到达系统降频的临界点时，因为温度传感器检测误差，可能使系统降频动作提早发生，这会使系统无法发挥最大的效能。 二. 精确的温度检测能降低系统噪音并延长计算机电池使用时间：如果温度传感器的检测温度高于系统实际温度，将造成风扇提早运转，或风扇转速比实际需求高，这将造成系统不必要的风扇噪音及功耗。 三. 精确的温度检测能提高系统稳定性，增加产品竞争力：如果温度传感器的检测温度低于系统实际温度，可

12、能在系统实际温度已到达降频临界点时系统仍然保持较高的工作频率，从而造成系统瘫痪甚至损坏。此外，精确的温度检测允许系统使用最小的散热模块，如此可以降低散热模块成本，增加产品竞争力。 笔记本电脑常用的温度传感器 热敏电阻和集成温度传感器是笔记本电脑常用的两种温度传感器，以下我们将探讨这两种温度传感器的工作原理及使用。 热敏电阻 热敏电阻按温度对电阻特性变化一般可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻的电阻特性会在特定温度发生急剧变化，适合用于定温度检测或限制在较小的温度范围内。负温度系数热敏电阻主要为氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜

13、和氧化铝等金属氧化物的复合烧结体，这些金属氧化物材料都具有半导体性质，当温度较低时，半导体内的电子-空穴对儿数目较少，因此电阻较高。当温度升高时，热敏电阻内的电子-空穴对儿数量增加，因此导电率增加，电阻值下降。图2为典型负温度系数热敏电阻特性曲线，电阻和温度之间的关系式如下： p=30, 2, center/pp=30, 2, center/pp=30, 2, left R0、R 分别是环境温度为T0、T(K) 绝对温度时的电阻值。B是热敏电阻的常数，B常数通常介于2500K至5000K范围内。 图3为典型负温度系数热敏电阻的应用电路。利用笔记本电脑嵌入式微控制器的模数转换器 (ADC) 所读

14、到的电压值推算出NTC的电阻值，因而推算出环境温度。利用负温度系数热敏电阻测量温度时误差很大，误差来源包括NTC本身的误差、提升电阻的误差、偏压电源 (VCC) 的误差、ADC的误差及测量噪声所造成的误差。从成本考虑，如果只考虑负温度系数热敏电阻本身的价格，这是一个廉价的解决方案。但若把偏压电路和额外的ADC成本一并考虑进去，成本可能增加。 /pp=30, 2, center/p 集成温度传感器 集成温度传感器是目前笔记本电脑普遍采用的温度传感器，具有精确度高、响应速度快、体积小、功耗低、软件界面控制方便等优点。图4为典型集成温度传感器框图。温度检测的主要机制为集成温度传感器内部的电流源和AD

15、C，集成温度传感器的工作原理是利用半导体PN结正向压降在不同的温度下具有不同导通压降的特性进行温度测量的。由半导体PN结伏-安特性曲线： p=30, 2, center/p p=30, 2, center点击看原图/p ID：二极管的正向电流，IS：二极管的反向饱和电流，VD：二极管的正向压降。 n：二极管的理想因素(一般约为1)，k：波尔兹曼常数 (1.3810-23 joules/K)。 T：绝对温度K，q：一个电子的电荷 (1.610-19 C) 因为，因此我们可以将式 (2) 简化为 p=30, 2, center/p 集成温度传感器内部的电流源会送出二个不同的电流，ADC在不同电流时

16、读出不同的二极管正向压降。也就是当电流源送出高电流IDH时，ADC读数VDH。IDH和VDH的关系式为 p=30, 2, center/p 当电流源送出低电流IDL时，ADC读数VDL。IDL和VDL的关系式为 p=30, 2, center/p 将 (4) 式除以 (5) 式，可得到 p=30, 2, center/p 将 (6) 式二边取对数并作整理，我们可以得到 p=30, 2, center/pp=30, 2, left 由于n、k和q为常数，而IDH和IDL由温度传感器内部产生，因此由VDH和VDL的变化量我们就可以测出温度。 远程二极管测量回路杂散电阻的影响 实际应用中，用于远程温

17、度检测的二极管位于CPU或图形处理芯片内部，二极管内阻及印刷电路板的寄生电阻会影响远程温度测量的准确度。假设远程二极管测量回路的等效寄生电阻为RP，当电流源送出高电流IDH时，ADC实际读到的电压VADC_H为: /pp=30, 2, center/p 当电流源送出低电流IDL时，ADC实际读到的电压VADC_L为 p=30, 2, center/p 将 (8) 式和 (9) 式代入 (7) 式，我们可得到 p=30, 2, center点击看原图/p 由 (11) 式所得到的结果，当 (IDH IDL)RP 愈大时，温度检测误差愈大。在此，我们以MAX6642为例，k、q、n由CPU内部温度

18、检测二极管决定，n 1.0080，由MAX6642的规格书可知：IDH =100uA、IDL =10uA，将这些参数代入 (11) 式，可得： p=30, 2, center/p IDH、IDL的单位为mA，RP的单位为欧姆。在这个例子中，1欧姆的杂散电阻将造成0.45oK的温度测量误差。若IDH =200uA，IDL =20uA，则1欧姆的杂散电阻将造成0.9oK的温度测量误差。RP的大小与远程检测二极管和印刷电路板的布线有关，印刷电路板布线必须尽可能降低印刷电路板铜箔所产生的寄生电阻。通常，远程二极管测量回路所造成的寄生电阻可能高达3至4欧姆。(IDH IDL) 的大小则和集成温度传感器有

19、关，不同的集成温度传感器具有不同的 (IDH IDL) ，在集成温度传感器的选择上，选择小的 (IDH IDL)有助于降低寄生电阻造成的温度测量误差。 此外，由前面的分析结果得知，1mV的电压变化大约等效为5oK的温度变化，因此，印刷电路板的布线对温度检测的准确度有很大影响。一般温度传感器IC的电源输入端均有一个RC低通滤波器，用以防止高频噪声的影响。在印刷电路板零件摆放时，RC滤波器应该尽量放在靠近温度传感器IC电源输入引脚的附近。另外，温度传感器IC应尽量放在靠近温度检测二极管的位置。对于差分(DXP、DXN) 连接远程温度二极管的布线一定要采用平行走线，同时这两条平行布线要彼此靠近，并尽

20、量远离磁性组件、高压信号，避免高速信号的干扰。不当的印刷电路板布线可能导致30oK以上的温度检测误差。 应用实例 图5为笔记本电脑普遍使用的一种温度控制方案。温度传感器IC通过SMBus接口连接到笔记本电脑的嵌入式微控制器，由于温度传感器IC与嵌入式微控制器之间为数字接口，因此温度传感器IC在位置上可以远离嵌入式微控制器而不会有噪声干扰问题。MAX6649同时内置一个本地温度传感器和用于连接远端二极管的差分接口。MAX6649的IDH =100uA，IDL =10uA，高精度、小电流的电流源可减小因杂散电阻所产生的测量误差。差分输入有助于降低噪声干扰。图5所示电路，温度传感器IC只负责温度检测

21、，风扇转速控制由嵌入式微控制器完成，由软件实现。为了避免软件控制的死机问题，MAX6649还集成了保护功能，当温度到达第一个高温临界点时，MAX6649 ALERT可发出中断请求，要求嵌入式微控制器进行相应的处理，例如对处理器进行降频；如果上述对策仍无法有效抑制温度的上升，当温度达到第二高温临界点时，MAX6649 OVERT可以用来控制系统的第二个风扇或对系统进行强制关机。图5具有低成本、高精度、使用弹性大等优点，但在软件的设计上需花费较多的功夫。tiankai (2009-11-15 16:25:34)使热敏电阻响应线性化的温度周期转换电路 设计师最常使用的是热敏电阻 器而不是温度传感器，

22、因为热敏电阻器有更高的灵敏度，以及小巧、经济和小的时间常数。但是，大多数热敏电阻器的电阻-温度特性是高度非线性的，对于要求线性响应的应用来说必须作校正。图1是一个用热敏电阻器作传感器的简单电路，它的时间周期随温度呈线性变化，在高至 30K 的范围内，非线性误差小于 0.1K。可以用一个频率计数器将该周期转换为数字输出。对热敏电阻器的阻值计算有一个按泊松定律的近似式，即热敏电阻器阻值 RT 为温度q的函数，RT=AB-q。在窄的温度范围内，该关系式可近似地描述为一个实际热敏电阻器的行为。 p=30, 2, center/pp=30, 2, centersize=+0 /p 在热敏电阻器上可以并联

23、一个适当阻值的电阻RP，获得一个接近于 30K的有效电阻。在图1中，端点A和B之间连接的网络提供一个AB-q的有效电阻RAB。JFET Q1和电阻RS构成电流调节器，在端点D和E之间提供一个恒流源IS。 R4上的电压通过缓冲放大器 IC1激励由R1 和C1串联构成的RC 电路，当R2大于RAB 时，R1上产生一个呈指数衰减的电压。当R1上的电压降至低于热敏电阻器RT电压的瞬间，比较器IC2的输出状态改变，电路振荡，图2中IC2的输出端产生一个电压波形。振荡周期T = 2R1C1ln(R2/RAB)2R1C1ln(R2/A)+qlnB。该式表示周期T随热敏电阻的温度q呈线性变化。 p=30, 2

24、, center/pp=30, 2, centersize=+0 /p 通过改变电阻器R1的值，就可以方便地改变转换灵敏度T/q。Q1 与 R1构成的电流源决定输出周期 T，它对供电电压和输出负载的变化非常不敏感。可以通过改变R2，在不影响转换灵敏度的情况下改变周期 T。温度范围qL至qH给定时，转换灵敏度为SC，可以设计电路如下：使qC表示温度范围的中心温度。测量热敏电阻器在温度qL、qC与qH处的阻值，用三个电阻值 RL、RC 和 RH 确定 RP，qC处的 RAB 表示qL与qH处RAB的几何平均数。对这个RP值，可以使三个温度点（qL、qC和qH）的RAB精确等于AB-q。 当温度范围

25、为30K或30K以下时，大多数热敏电阻器对这个区域中的其它温度，偏离AB-q的RAB 会产生一个明显低于0.1K的非性线误差。RP值可以用下式计算：RP=RCRC(RL+RH)-2RLRH/(RLRH-RC2)。由于温度-周期转换的灵敏度SC为 2R1C1lnb，因此选择R1和C1时可以使下式成立：R1C1=SCqH-qC/ln(qL处的RAB/qH处的 RAB)，以得到所需SC值。如要得到一个低温度qL的特定输出周期TL，R2应等于 (qL处的RAB)eY，其中Y表示 (TL/2R1C1)。实际应用时，R2的选值比较低，因为 IC2的非零响应延迟会增加输出周期。 下面，将电位器 R1 和 R

26、2 值设为接近于计算值。在调节 R1 得到正确 SC 后，调节 R2，使 T 等于温度qL 时的 TL。两个分压器电阻 R3 与 R4 阻值应相等，并且公差近似。作为一个实例，标准热敏电阻器可以采用如 Yellow Springs Instruments 46004，将 20至 50的温度范围转换为 5ms 至 20 ms 的周期。该热敏电阻器的 RL、RC和RH电阻值分别为 2814、1471和 811.3，分别对应低点、中点和高点温度。该设计的参数还有SC=0.5 ms/K、qL=20、qH=50、qC=35以及 TL=5 ms。 由于电流 IS 只有部分通过热敏电阻器，IS 应低到避免出

27、现自发热效应。该设计采用的 IS 约为 0.48 mA，当热敏电阻器的耗散常数为 10 mW/K 时，自发热误差低于 0.03K。图1 是例子中所用元件的值。所有电阻器公差均为 1%，额定功率为0.25W，C1 是聚碳酸酯电介质电容器。 用标准的 2814至811.3、0.01% 公差热敏电阻器作替换，可模拟 20至 50之间的各种温度，产生的 T 值为 5ms 至 20 ms，正确读数的最大偏差小于 32ms，响应的最大温度偏差低于 0.07K。如果使用一个耗散常数不大于 10 mW/K 的热敏电阻器，实际应用中产生的最大误差小于 0.1K。数字温度传感器与单片机构成测温系统的探讨摘要：LM

28、92 I2C总线方式控制的数字温度传感器和MSP430单片机构成的测温嵌入式系统和Internet相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。关键词：LM92；MSP430单片机；Internet；I2C 1LM92数字温度传感器 LM92是美国国家半导体公司近期生产的一种高精度数字温度传感器，他采用I2C总线方式 控制。内含12 b温度A/D转换器，工作电压：2.7+5.5 V；测温范围：-55150 ；精度：0.333 （30 时）；线形度：0.5 ；温度刷新间隔：500 ms。内部有 16 b只读温度寄存器，通过I2C总线方式控制，可以存储测温数据，还可以设置窗口上、下限温度值，临界温度告警

29、值。当测温数据偏离窗口上、下限温度范围，或临界温度值时，LM92可以产生中断请求信号INT或临界温度告警信号TCRITA。在同一条I2C总线上最多可连接4个LM92。LM92采用SO8脚封装，I2C总线由数据线SDA和时钟 线SCL构成；其输出为漏极开路，总线必须接有上拉电阻。 2MSP430与I2C总线LM92的接口 MSP430单片机与传统的51单片机在结构上有很大的区别。其中之一就是：在MSP430的外围接口电路中，没有提供像51那样控制外设读、写、地址锁存信号的硬件电路。与这种接口电路相适应， MSP430更倾向使用I2C总线以及ISP等基于串行接口的外围器件。如图1所示。 p=30,

30、 2, center /p 3MSP430单片机与LM92 构成嵌入式测温系统的特点 LM92数字温度传感器与传统的热敏电阻器、模拟温度传感器不同，他可以直接将测量的温度数据转换成13 b串行数字温度信号，供CPU读取；在硬件电路设计上就可以省去传统传感器 需要的信号放大器和A/D转换器。虽然长期以来热敏电阻器是最常用的元件，目前在一些工业应用领域仍然起重要的作用；在汽车的计算机控制系统中，温度传感器仍然采用热敏电阻器。热敏电阻器的电压输出与温度不具有线性关系，需通过查表或外加线性化电路，才能得到准确的温度。而且，热敏电阻器在高温区段电压变化率较小，不易分辨，造成温度测量的误差较大。这是热敏电阻器的最大缺点。其次，热敏电阻器产品在不同的批次间存在差异，电子响应性能不一致。因而，使用前都需要进行调校，